一种铁酸铋纳米线太阳能电池的制备方法技术

本发明专利技术属于半导体材料技术领域，具体涉及一种BiFeO3纳米线太阳能电池的制备方法。利用BiFeO3纳米线结构降低其光学带隙，并提高其对太阳光的吸收，利用Ag纳米线和ITO上电极提高载流子的收集能力，从而达到提高BiFeO3纳米线太阳能电池光电转换效率的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体材料
，具体涉及一种BiFeO3纳米线太阳能电池的制备方法。
技术介绍
目前，传统的硅基太阳能电池是利用p-n结或肖特基结来实现电子一空穴对的分离，光诱导的电压被界面区域的高能垒限制，导致产生的开路电压较小；其次，为了提高电池的转换效率，通常要专门设计特殊的减反结构以及对表面作钝化处理，来增加对太阳光的吸收；更为重要的是，硅原料的价格决定了硅基太阳能电池的制造费用昂贵；因此，硅基太阳能电池具有开路电压小、结构设计复杂、制造成本昂贵等缺点；然而，人们在铁电体这种非中心对称材料中发现了光伏效应的另一种机制，即铁电光伏效应，利用铁电光伏效应制备的太阳能电池具有开路电压大、结构设计简单、产生的光电流正比于铁电极化强度等特点，因此吸引了越来越多的关注。2009年，Choi等人发现多铁性材料BiFeO3单晶中存在一个大的光伏效应，其具有较窄的光学带隙(2. 2 eV)，高的饱和极化强度(90 MC/cm2)，这使得BiFeO3材料在光伏器件方面的应用成为可能，但是其产生的光电流密度较小(7. 35 μΑ/cm2)，这直接导致BiFeO3材料的光电转换效率较低;另外，BiFeO3薄膜光伏效应的研究表明BiFeO3薄膜具有一个较宽的光学带隙(2. 7 eV左右)和一个较高的开路电压(O. 3-0.9 V) [ff. Ji, K.Yao, and Y. C. Liang, Adv. Mater. 22, 1763 (2010). S. Y. Yang, L. ff. Martin,S. J. Byrnes, T. E. Conryj S. R. Basuj D. Paranj L Reichertzj J. IhlefeldjC.Adamoj A. Melville, Y. H. Chuj C. H. Yang, J. L Musfeldtj D. G. SchlomjJ. W. Ager III，and R. Rameshj AppI. Phys. Lett. 95，062909 (2009).];但是，可以通过改变薄膜厚度、沉积时的氧压力、薄膜与基底之间产生的应力来调控BiFeO3薄膜的光学带隙;另有研究表明多晶BiFeOj^膜具有一个较窄的光学带隙(2. 2 eV)和一个大的光电流密度(2.8 mA/cm2) [Y. Y. Zangj D. Xiej X. Wuj Y. Chenj Y. X. Linj Μ. H. Li,H.Tianj X. Li，Ζ. Li，H. W. Zhuj T. L Renj and D. Plant, AppI. Phys. Lett.99，132904 (2011).];电极材料对多晶BiFeO3薄膜光学性质的影响较大，釆用氧化物电极材料的多晶BiFeO3薄膜要比金属材料的具有更大的光伏效应;另外，BiFeO3纳米线光学性质的研究也表明其具有较低的光学带隙(2. 5 eV);可以看出，BiFeO3材料的光伏效应已有很多报道，但所涉及到的大都是体材料或薄膜材料的BiFeO3，低维结构BiFeO3光学性质的研究还少有报道，虽然目前有几篇文献报道了 BiFeO3纳米线的制备和光学性质的研究，但所涉及到的仅是纯BiFeO3纳米线阵列，其开路电压、光电流密度等电学性质的研究还未见报道，更未见其他结构的BiFeO3纳米线太阳能电池的报道。本专利技术提出一种BiFeO3纳米线太阳能电池的制备方法，利用纳米线结构提高BiFeO3纳米线太阳能电池的光电转换效率。
技术实现思路
本专利技术提出一种BiFeO3纳米线太阳能电池的制备方法，利用BiFeO3纳米线结构降低其光学带隙，并提高其对太阳光的吸收，利用Ag纳米线和ITO上电极提高载流子的收集能力，从而达到提高BiFeO3纳米线太阳能电池光电转换效率的目的。实现本专利技术的技术方案为 ，包括制备双通的多孔氧化铝模板的步骤、在多孔氧化铝模板中填充Ag纳米线的步骤和制备ITO上电极的步骤，其特征在于在多孔氧化铝模板中填充Ag纳米线的步骤和制备ITO上电极的步骤之间进行利用磁控溅射方法在Ag纳米线上包覆一层BiFeO3的步骤，具体的工艺条件为溅射功率为50-90 W，沉积温度为20 - 300 0C, Ar :02的流量比1:15-11: 1，腔体压力为O. 01-1 Pa，BiFeO3壳层厚度为20-200 nm。所述的，其特征在于所述制备双通的多孔氧化铝模板的步骤为将高纯铝片进行退火，超声清洗，去除自然氧化层，电化学抛光，进行二次阳极氧化，去除Al基底，通孔，制备出双通的多孔氧化铝模板； 所述高纯Al片纯k- 99. 999%，退火温度为450-500°C，退火时间为4_5小时，随炉冷却至室温后取出； 超声清洗依次用丙酮、乙醇、去离子水超声3分钟； 去除自然氧化层时选用2 mol/L的NaOH溶液，温度为60°C，浸入时间为2分钟； 电化学抛光选用5vol%硫酸、95vol%磷酸和20 g/L铬酸的混合溶液，抛光5分钟，水浴温度为85 V，抛光电流为O. 8 A或选用25vol%高氯酸和75vol%乙醇，抛光I分钟，水浴温度为10°C，抛光电流密度为O. 5 mA/cm2 ;或选用90vol%高氯酸和10vol%乙醇，抛光3分钟，电压为23 V ； 二次阳极氧化过程包括第一次阳极氧化、去除氧化层和第二次阳极氧化的步骤； 第一次阳极氧化的电解液选用O. 2-0. 4 mol/L的草酸，氧化电压为10-160 V，温度控制在0-10 °C，氧化时间为3-6小时；或选用O. 3-1.2 mol/L的硫酸，氧化电压为10-160 V，温度控制在0-5 °C，氧化时间为3-6小时； 去除氧化层选用6wt%磷酸和I. 5wt%铬酸的混合溶液，60 0C浸泡6小时；第二次阳极氧化条件与第一次阳极氧化相同，通过控制阳极电压可得到不同孔径大小的多孔氧化铝模板； 去除Al基底选用饱和HgCl2溶液、SnCl4溶液或CuCl2溶液； 通孔选用6wt%磷酸，30°C，浸泡I小时，制备出双通的多孔氧化铝模板，将双通的多孔氧化铝模板浸入6wt%磷酸中扩孔5 - 40分钟，可得不同孔径大小的双通氧化铝模板。所述的，其特征在于在多孔氧化铝模板中填充Ag纳米线的步骤为在多孔氧化铝模板的一面溅射Au层作为工作电极，利用电化学沉积方法在多孔氧化铝模板中填充Ag纳米线，去除多孔氧化铝模板； 采用磁控溅射方法制备Au电极，溅射功率50 W，厚度为40-300 nm ； 电化学沉积以石墨片为阳极，Au为阴极，电解液为300 g/L的AgNOJP 45 g/L的H3BO3的混合溶液，用硝酸调节PH值至2 — 3，电流密度为2 - 4 mA/cm2,室温沉积8小时；去除氧化铝模板选用5wt%的NaOH溶液。所述的，其特征在于所述制备ITO上电极的步骤为采用磁控溅射方法制备ITO电极；靶材选用ITO陶瓷靶，工艺条件为灘射功率为40 — 60 W，沉积温度为20 — 300 °C，腔体压力为O. 01-1 Pa，溅射厚度为40-300 nm。测试BiFeO3纳米线太阳能电池的光学和电学性质,包括测试BiFeO3纳米线太阳能 电池的吸收系数，J-V曲线等性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁酸铋纳米线太阳能电池的制备方法，包括制备双通的多孔氧化铝模板的步骤、在多孔氧化铝模板中填充Ag纳米线的步骤和制备ITO上电极的步骤，其特征在于：在多孔氧化铝模板中填充Ag纳米线的步骤和制备ITO上电极的步骤之间进行利用磁控溅射方法在Ag纳米线上包覆一层BiFeO3的步骤，具体的工艺条件为：溅射功率为50？90？W，沉积温度为20－300？0C，Ar：O2的流量比1:15？11:1，腔体压力为0.01？1？Pa，BiFeO3壳层厚度为20？200？nm。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邱建华，丁建宁，袁宁一，陈智慧，王秀琴，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：